Energiekosten und Leckagen
Das Druckluftnetz – ein Energiefresser im Betrieb
PROJEKT-INFO:
ENERGIEAGENTUR NRW
Jede Fabrik braucht sie, doch kaum jemand weiß, daß Druckluft eine der teuersten Energieformen ist. Die ra- tionelle Nutzung von Druckluft birgt da- her große Einsparpotentiale. Häufig kon- zentrieren sich die Einsparbemühungen nur auf die Drucklufterzeugung, das heißt auf die Kompressoren und die Wärme- rückgewinnung.
Aber auch die Druckluftverteilung bietet ein großes Potential zur Energie- kostenreduzierung, das nicht vernachläs- sigt werden sollte. Im wesentlichen be- trifft dies die Bekämpfung von Leckagen und die korrekte Auslegung der Druck- luftleitungen zur Minimierung der Druck- verluste. Die planerischen und anwen- dungstechnischen Kenntnisse, die not- wendig sind, um dieses Potential zu er- schliessen, werden von kompetenten Fach- firmen und Beratern in NRW angeboten.
Die häufig anzutreffende Konstel- lation effizienter Kompressoren auf der einen Seite und veralteter Druckluftver- teilungen auf der anderen Seite führt oft- mals dazu, daß nur ein Teil der möglichen Energiekosten eingespart wird. Es ist nicht außergewöhnlich, daß in einem ver- nachlässigten Druckluftrohrsystem Leck- agen von 30 Prozent und Druckabfälle von 2 bar bestehen, die dazu führen, daß bis zu 50 Prozent der eingesetzten Ener- gie vergeudet wird – das zeigen Erfahrun- gen der Energieagentur NRW. Nicht nur die Energie wird hier umsonst bezahlt.
Nach einer Sanierung der Druckluftver- teilung könnten theoretisch die Hälfte der Kompressoren stillgelegt werden.
Ein Grund für die Tatsache, daß häufig zwar moderne und effiziente Kom- pressoren eingesetzt werden, aber das Druckluftnetz nicht gleichermaßen opti- miert wird, ist die häufig anzutreffende Aufteilung der Zuständigkeit im Betrieb für die Energieart Druckluft, und zwar auf die Bereiche Drucklufterzeugung und Druckluftverteilung. Letztere fällt mei- stens in die Zuständigkeit allgemeiner be- trieblicher Rohrwartung. Da die Lecka- gen bei Druckluftrohren nicht sichtbar sind, keine Umweltprobleme verursachen und in der Regel auch keine Sicherheits- mängel nach sich ziehen, führt das Druck- luftnetz im Betrieb häufig ein vergessenes Dasein mit den eingangs erwähnten Fol- gen. Wenn bei Netzerweiterungen bzw.
beim Anschluß neuer Verbraucher an ei- nigen Stellen Versorgungsengpässe auf- treten, wird der Druck des gesamten Net- zes angehoben, anstatt die Rohrdurch- messer an die benötigten Liefermengen anzupassen. Eine sehr teure Art und Wei- se, die Versorgung anzupassen. Da eine Änderung der Rohrdurchmesser bei ei- nem bestehenden Netz nur schwer mög- lich ist, ist es bei der Auslegung des Net- zes besonders wichtig, von Beginn an die Dimensionierung der Verteilung optimal auszulegen. In einem Drei-Schicht-Be- trieb mit zum Beispiel 200 kW Kompres- sorenleistung kann eine schlechte Druck- luftverteilung überflüssige Energiekosten von deutlich über 100.000 Mark pro Jahr verursachen. Ein Geschäftsfeld, das ins- besondere Ingenieurbüros und Consul- tants noch stärker bearbeiten könnten.
Das Druckluftnetz – ein Energiefresser im Betrieb
Das Druckluftnetz – ein Energiefresser im Betrieb
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Die Druckluftmessung
Eine erste Problemlösung – die Druckluftmessung
In vielen Unternehmen besteht Unklarheit über die eingesetzte Energie zur Bereitstellung der Druckluft. Die tat- sächlichen Stromkosten können nicht be- stimmt und verursachungsgerecht Kosten- stellen zugewiesen werden. Desweiteren besteht oft Unklarheit über den Anteil der Druckluftverluste durch Leckagen.
Abhilfe schaffen kann in diesen Fällen eine Druckluftmessung, die auch mit ein- fachen Mitteln möglich ist.
Diese ermöglicht eine erste Ab- schätzung der Stromkosten für die Druck- lufterzeugung. Genauere Messungen, die detailliertere Ergebnisse bringen, aber auch einen höheren Aufwand erfordern, werden von spezialisierten Fachfirmen angeboten.
Der Meßaufbau
Der Meßaufbau
Der aus handelsüblichen Kompo- nenten bestehende Meßaufbau benötigt eine standardisierte Druckluftsteckdose oder eine Druckluftverschraubung in un- mittelbarer Nähe der Drucklufterzeu- gungsstation. Durch die dämpfende Wir- kung des Druckluftspeichers werden un- erwünschte Druckschwingungen, die bei Druckluftentnahmen aus dem Vertei- lungssystem auftreten können, reduziert.
Das Druckluftsystem wird über eine Schlauchleitung mit dem Druckaufneh- mer verbunden. Der Druckaufnehmer wandelt den Systemdruck in ein Span- nungssignal um. Dieses wird vom Signal- umformer digitalisiert und im Datenlog- ger gespeichert. Die Meßdaten können über eine Schnittstelle auf einen PC über- tragen und dort ausgewertet werden.
Die vom Land getragene Energie- agentur NRW versteht sich als unabhän- gige Anlaufstelle für Unternehmen und Kommunen in NRW, die eine neutrale Energieerstberatung anbietet. Ein Ziel der Arbeit der Energieagentur NRW besteht darin, die Geschäftsführer von nordrhein- westfälischen Betrieben zu motivieren, über kostensenkende Investitionen in das Druckluftsystem nachzudenken. Um dazu die wirtschaftlichsten Maßnahmen zu er- mitteln, wird empfohlen, externe Fachbe- rater oder Fachbetriebe anzusprechen. Auf Wunsch nennt die Energieagentur NRW mögliche Ansprechpartner, falls die Be- triebe nicht über entsprechende Firmen- kontakte verfügen.
Im Folgenden sind die Ergebnisse von zwei Druckluftmessungen beispiel- haft dargestellt, die nach Initialberatungen der Energieagentur NRW (Außenstelle Duisburg) durchgeführt wurden.
Systemdruck (relativ) Signalumformer
und Datenlogger Datenauswertung
0 5 10
Zeit in Minuten
15 20 25
Systemdruck bar
7,0 6,8 6,6 6,4 6,2 6,0
Druckluftanschluß Druckaufnehmer Druckluftspeicher
Verteilungssystem
Druckluftverdichter
Meßaufbau zur Ermittlung des zeitlichen Druckverlaufes
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Das Meßprinzip Die Meßauswertung
Das Meßprinzip
Für die Ermittlung der Druckluft- verluste durch Leckage wurde die Metho- de des geringsten Druckabfalls entwik- kelt. Das Verfahren beruht auf der An- nahme, daß ein Druckluftsystem ohne kontinuierliche Dauerverbraucher bei Schwachlast kurze Zeiträume aufweisen muß, in denen keine Nutzabnahme erfolgt.
Hierbei wird das Gefälle bzw. die Stei- gung der Kurve des Druckverlaufs als Maß für die Luftzufuhr oder -entnahme betrachtet. Für einen kurzen Zeitabschnitt wird der Druckabfall bei stillstehendem Kompressor ermittelt. Da dieser vom re- lativen Systemdruck abhängig ist, wird die Systemdruckkurve in verschiedene Druck- stufen zerlegt. Für jede Druckstufe wer- den über einen längeren Zeitraum (z.B. 8 Stunden) die Druckgefälle der Größe nach sortiert. Der kleinste Wert jeder Druck- stufe wird für die Erstellung einer Funktion des Druckabfalls durch Leckage in Ab- hängigkeit des relativen Systemdrucks be- nötigt. Unter Berücksichtigung der Lek- kage kann diese Methode auch auf den Druckanstieg bei Betrieb des Kompressors übertragen werden.
Die Meßauswertung
Die ermittelten Funktionen erge- ben den idealen Druckverlauf durch Kom- pressorbetrieb und Leckage bei fehlender Druckluftnutzung. Neben dem zeitlichen Verlauf des relativen Systemdrucks kön- nen die Druckänderungen durch Leckage und Kompressorbetrieb dargestellt wer- den. Die darunter liegenden Flächen sind jeweils gleich groß und in erster Nähe- rung proportional zum Energieeinsatz.
Aus der ablesbaren Kompressorbetriebs- zeit, der Gesamtzeit einer Periode und der Stromaufnahme des Kompressors kann der Strombedarf zur Deckung der Lecka- geverluste bestimmt werden. Wird der Strombedarf für Leckage auf ein Jahr hochgerechnet und mit dem Stromarbeits- preis multipliziert, kann ein DM-Betrag für ein mögliches Kosten-Einsparpoten- tial ausgewiesen werden.
Druckerzeugung (Kompressor) Druckverluste durch Leckage (85%) Druckverluste durch Nutzung (15%) Systemdruck (relativ)
Wird die tatsächliche Systemdruck- kurve bei Nutzabnahme von der idealen Druckkurve überlagert, ergeben sich als Differenz die Nutzenergiemengen. Je stei- ler die Systemdruckkurve bei Kompres- sorstillstand ist und je flacher bei Kom- pressorbetrieb, desto stärker ist die Nutz- abnahme. Wird die Differenz des Druckab- falls von realer und idealer Druckkurve gebildet, erhält man den Druckverlust durch Nutzung. Die beiden Flächen des Druckverlustes durch Nutzung und Lek- kage sind zusammen so groß wie die Fläche der Druckerzeugung. Das Verhält- nis der Flächen von Nutzung und Leckage ist proportional zum Verhältnis der Nutz- energie zur Verlustenergie.
Die Energieagentur NRW sieht die Möglichkeit durch die Messung Be- triebe zu motivieren, in ein Energiemana- gement einzusteigen. Eine breite Anwen- dung dieses preiswerten Meßverfahrens ist daher von besonderem Interesse. Be- ratungsunternehmen, die das Verfahren weiterentwickeln und einsetzen möchten, erhalten weitergehende Informationen.
Pa/sec 400 350 300 250 200 150 100 50 0
Druckänderung Druckverluste durch Leckage und Nutzung bei Starklast
Systemdruck bar 7,0
6,8
6,6
6,4
6,2
6,0
Meßergebnisse bei der Firma Flender ESAT, Herne
Die Firma Flender ESAT, die be- reits einige Projekte zu rationellen Ener- gieverwendung umgesetzt hat, nutzt jede Chance, ihre Wettbewerbsfähigkeit weiter zu verbessern: Die Druckluftmessung in diesem Betrieb zeigte trotz Starklastbe- trieb einen hohen Leckageverlust von ca.
45% der erzeugten Druckluft auf. Bei Schwachlast wurde eine deutliche Domi- nanz der Leckageverluste (ca. 85%) ge- genüber der Druckluftnutzung (ca. 15%) ermittelt. Die geschätzten Stromkosten für die Drucklufterzeugung: ca. 10.000 DM/a. Durch vollständige Leckagebesei- tigung könnten hiervon ca. 4.500 DM/a eingespart werden. Hierbei sind vermeid- bare Verluste bei der Drucklufterzeugung noch nicht berücksichtigt.
Meßergebnisse Meßergebnisse
Meßergebnisse bei der Firma Tridelta, Dortmund
Auch die Firma Tridelta setzt auf neue Umweltmaßstäbe und wird Energie effizienter einsetzen: Aufgrund der ge- messenen Druckkurve wurden hier für die verschiedenen Tages- und Wochenzeiten die Zeitanteile von Teil- und Vollast er- mittelt. In der Starklastzeit am Vormittag wurden Leckageverluste von 80% und eine Druckluftnutzung von 20% ermittelt.
In den Schwachlastzeiten am Nachmittag, in den Nacht- und Wochenendstunden sinkt der Nutzanteil auf unter 10%. Hoch- gerechnet auf ein Jahr ergibt sich ein Ver- hältnis von Druckluftnutzung zur Lecka- ge von ca. 1:9.
Ein weitere Quelle für Energie- verluste stellt der Schraubenkompressor dar. Dieser läuft im Dauerbetrieb mit Leerlaufphasen, in denen trotz fehlender Druckluftförderung erhebliche Mengen an Strom benötigt werden. Diese Strom- mengen werden in Wärme umgesetzt und mit dem Abwärmestrom in die Umge- bung geleitet. Zusätzlich wird aufgrund der hohen abgelesenen Stromaufnahme in diesem Betriebszustand ein nicht ein- wandfreier Betrieb der Anlage vermutet, was zu weiteren Verlusten führt.
Aufgrund der vorgenommen Mes- sung des Druckverlaufs und der Ablesung der Stromaufnahme wurde der jährliche Strombedarf für die Druckluftbereitstel- lung hier auf ca. 865 MWh/a geschätzt.
Die Stromkosten der Drucklufterzeugung lassen sich unter Berücksichtigung des derzeitigen Gesamtstrombezugs und des Stromvertrags auf ca. 91.000 DM/a ab- schätzen. Könnte die genutzte Druckluft- menge verlustarm erzeugt und leckage- frei verteilt werden, würde sich der Strom- einsatz auf 76 MWh reduzieren. Die ver- bleibenden Energiekosten betragen ca.
8.000 DM/a, so daß ein Einsparpotential von ca. 83.000 DM/a ausgewiesen werden kann.
Aus den geschätzten 865 MWh elektrischer Energie werden nur ca. 69,2 MWh Druckluftenergie erzeugt. Von der erzeugten Druckluftenergie gehen ca. 90%
durch Leckage verloren, so daß lediglich 6,9 MWh genutzt werden; dieses ent- spricht einem Gesamtnutzungsgrad von
<1%. Die kWh Nutzenergie kostet dem- nach 13,32 DM/kWh Druckluft (zum Ver- gleich: Strompreis 0,105 DM/kWh, (preis- werteste Zone, Faktor 126).
Druckerzeugung (Kompressor) Druckverluste durch Leckage (85%) Druckverluste durch Nutzung (15%) Systemdruck (relativ)
Kompressor- betriebszeit Pa/sec
400 350 300 250 200 150 100 50 0
Druckänderung
0 5 10
Zeit in Minuten
15 20 25
Systemdruck bar 7,0
6,8
6,6
6,4
6,2
6,0 Druckverluste durch Leckage
und Nutzung bei Schwachlast
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Zur Planung von Druckluftanlagen
Reduzierung der Energiekosten, die auf- grund der Lebensdauer einer Druckluftan- lage über viele Jahre anfallen, zu erreichen.
Wenn ein Unternehmen die Druck- luftanlage im Rahmen von Outsourcing nicht selber bauen und betreiben möchte, bietet Contracting die Möglichkeit, die Druckluftanlage in einer Hand zu kon- zentrieren und zu optimieren. Das Unter- nehmen schließt mit einem Contractor ei- nen Vertrag nach dem dieser die Druck- luftanlage plant, finanziert, baut, betreibt und wartet. Auch die Reservehaltung wird von ihm übernommen. Das Unternehmen, das die Druckluft nutzt, bezahlt nur noch die bereitgestellte und bezogene Druck- luft. Der Contractor als spezialisiertes Unternehmen mit entsprechendem Know- how kann die Anlage optimal und ko- stengünstig bauen und betreiben. Um im Wettbewerb mit anderen Contractoren zu bestehen, muß er die Druckluft möglichst kostengünstig anbieten und wird dazu sei- ne Fachkompetenz und seine Erfahrung auch zum Nutzen seines Kunden einset- zen. Das Unternehmen kann sich vom Contractor zum Beispiel einen Preis pro Kubikmeter Druckluft am Verbrauchs- punkt (nicht am Kompressor) garantieren lassen. Die Energieagentur NRW führt als neutraler Dritter Contractor und Con- tracting-Nehmer zusammen und begleitet das Projekt.
Weitere Informationen sind zu diesem Thema auch erhältlich im Semi- nar „Druckluft“, das die Energieagentur NRW im Rahmen des REN Impuls-Pro- gramms RAVEL NRW nordrhein-west- fälischen Weiterbildungseinrichtungen zur Verfügung stellt.
Zur Planung von Druckluftanlagen
Bei der Planung von Druckluftlei- tungen sind die Kenntnisse aus dem Was- ser- und Heizungsbau nur wenig hilfreich.
Planung und Bau der Druckluftverteilung unter den Gesichtspunkten der optimalen Auslegung und des energiekostengünsti- gen Betriebs erfordern spezifische Fach- kenntnisse. Druckluftverteilungen sollten ebenso sorgfältig und fachmännisch ge- plant werden wie Elektroverteilungen.
Die Auswahl passender Werkstoffe bei Rohren, Formteilen und Armaturen hin- sichtlich einer langen Lebensdauer, einer guten Umweltverträglichkeit und einer hohen Wirtschaftlichkeit muß sorgfältig geschehen.
Folgende Anforderungen an die Druckluftverteilung sollten erfüllt werden:
• Der Druckabfall im Netz muß minimiert sein und darf 0,1 bar nicht überschreiten, die maximale Fließ- geschwindigkeit beträgt 6 m/Sek.
• Die Rohrverbindungen müssen dicht sein (z.B. geschweißt, gelötet oder geklebt)
• Die Rohre sollten korrosions- und oxydationsfest sein, um Beeinträchti- gungen der Luftqualität und auf Dau- er Leckagen zu vermeiden.
Zur Ausschöpfung des erwähnten Einsparpotentials scheint es sinnvoll, die Zuständigkeit der gesamten Druckluft- technik (Erzeugung, Verteilung, Verbrau- cher) betrieblich in einer Hand verant- wortlich zu konzentrieren. Das ist beson- ders wichtig, wenn die Druckluftanlage von einem Komplettanbieter installiert wird oder gewartet werden soll. Der Lie- ferant sollte den Preis der Druckluft am Verbrauchspunkt garantieren, was ihn zu einer optimalen Kombination der Kom- ponenten unter technischen und wirtschaft- lichen Aspekten zwingt.
Bei der Wirtschaftlichkeitsbetrach- tung zur Anschaffung oder Sanierung ei- ner Druckluftanlage sollten sowohl die Investitionskosten für Anschaffung und Installation als auch die Betriebskosten für Energie und Wartung von Anfang an berücksichtigt werden. Aufgrund des ho- hen Anteils der Energiekosten kann es durchaus sinnvoll sein, höhere Investi- tionskosten in Kauf zu nehmen, um eine
Beteiligte Firmen
Beteiligte Firmen:
1. Flender ESAT Engineering & Service Antriebstechnik GmbH Südstraße 111, 44625 Herne
Tel. 02323 / 9 40-0 – Fax 02323 / 9 40-204 Ansprechpartner: Herr Gräve, technischer Produktionsleiter
• Betrieb mit 250 Mitarbeitern (1998), 3-schichtige Betriebsweise.
• Der 18 kW Kompressor läuft im Aussetzbetrieb.
• Die Druckluft wird in Werkzeug- maschinen und Härteöfen eingesetzt.
• Der Stromeinsatz für die Druck- luftbereitstellung wird nicht separat erfaßt.
2. Tridelta Dortmund GmbH
Ostkirchstraße 177, 44287 Dortmund Tel. 0231 / 45 01-0 – Fax 0231 / 45 01-357 Ansprechpartner: Herr Bellen, Koordination, Investitions- und Fördermittel
• Das Unternehmen ist eine Holding mit 8 selbständigen Firmen.
• Betrieb mit 250 Mitarbeitern (1998), 2-schichtige Betriebsweise.
• Der 150 kW Schraubenkompressor läuft im Last/Leerlauf-Betrieb mit zeitweiliger Druckluftförderung.
• Die Druckluft wird in Werkzeug- maschinen eingesetzt.
• Die Druckluft wird nicht gezählt, aber durch eine willkürlich festgelegte Pauschale abgerechnet.
• Der Stromeinsatz für die Druckluft- bereitstellung wird nicht separat erfaßt.
Druckluft
Jahresstromeinsatz 864.800 kWh
Druckluftkühler 43.800 kWh 5%
Teillastverluste 226.100 kWh 26%
Leckageverluste 62.300 kWh 7%
Kältetrockner 42.500 kWh 5%
Umwandlungsverluste im Kompressor
483.200 kWh 56%
Nutzenergie 6.900 kWh
<1%
Gedruckt auf umweltfreundlichem TCF-Papier. Layout & Produktion: Mumbeck – Agentur für Werbung, Wuppertal
©
ENERGIEAGENTUR NRW
Morianstraße 32 42103 Wuppertal Tel: 0202 / 2 45 52-0 Fax: 0202 / 2 45 52-30
Internet: http://www.ea-nrw.de
Bismarckstraße 142 47057 Duisburg Tel: 0203 / 3 06-1261 Fax: 0203 / 3 06-1299
Die Energieagentur NRW wurde als neu- trale und unabhängige Landeseinrichtung gegründet. Ihr Auftrag lautet, Unterneh- men sowie Städten und Gemeinden Hilfe- stellung zur ökonomischeren Energiever- wendung und zum Einsatz unerschöpflicher Energiequellen zu geben – einerseits durch Beratung, andererseits durch Wissensver- mittlung.
